概述
甲醇、二甲醚以及硫酸和氨等其他重要化学品主要由固定床化学反应器生产。计算流体动力学(CFD)模型是固定床化学反应器设计、优化和扩大规模的宝贵工具,催化床结构的真实表征和 3D 体积网格质量对于提高 CFD 模拟的准确性至关重要。
筛分颗粒尺寸、形状和方向等因素造成固定床反应器内局部拓扑的复杂性,对整个体积进行网格划分和模拟将需要大量的计算资源。因此,应选择合适的试样区域准确代表整个床层的体积和径向孔隙率。本研究基于 CT 重建多分散实验室规模催化床层的 3D 结构,分析内部孔隙结构,选择合适的代表性区域 CFD 模型模拟流体动力学性能,降低计算需求的同时保证结果精确度。
图像处理和模拟
使用 3 个由 SAPO-34 颗粒形成的多分散实验室规模催化床层,尺寸通过 100-300、300-500 和 500-700 μm 的筛子经过 5 次筛分。从各个床层中间选取整体的 5%、10%、50% 区域作为代表。

由于 SAPO-34 颗粒易碎,在装填过程中会产生裂缝。在 CT 扫描图像中包含大量由此产生的灰尘颗粒(<100 µm),但在整个床层所占体积中微不足道。若保留这些颗粒会导致生成网格过多,从而增加计算需求。依次应用腐蚀、膨胀、闭运算工具,去除图像中的灰尘颗粒。在 Simpleware 软件中,使用 Island removal 工具移除任何小于 60 μm 的未连接颗粒。在催化床前、后分别添加 0.6mm 和 1.8 mm 的空流体区域。在 Simpleware FE 模块对 300-500 μm 床层 10% 区域的孔隙结构进行网格划分,采用 +FE Free 算法生成三种不同粗糙程度的高质量体积网格模型。
将体积网格模型导入 ANSYS Fluent 软件求解流体动力学。考虑大气压和环境温度下的空气流动,将重力加速度方向定义为沿流动路径,即从入口到出口。压力-速度耦合使用 SIMPLE 算法,采用二阶迎风格式。压力和动量松弛因子为 0.5,残差目标设置为 1e-4。

结果与分析
孔隙率
统计分析不同床层截面的径向孔隙率分布和体积孔隙率。100-300 µm 床层的 50% 和 10% 区域与全床层一致,5% 区域呈现出较大差异。300-500 µm 床层的 50% 区域与全床层更接近,10% 和 5% 区域的振荡和差异比较大。对于球形床,当容器与颗粒直径比值较小(即 N ≤ 2.6)时床层中心线会出现空通道,这些区域中的反应物不与催化材料接触,使床层的整体反应性和化学性能受到阻碍。100-300 和 300-500 µm 床层的平均 N 值分别约为 20 和 10,不会出现这种拓扑结构。500-700 μm 床层与 300-500 µm 床层类似,10% 和 5% 区域的振荡和差异更大。


随着颗粒尺寸的增加,产生了更大的局部颗粒间孔隙。颗粒越小,代表性体积所需的床层截面区域就越小。对于 100-300 和 300500 μm 床层,10% 区域已可以代表整个体积,500-700 μm 则选择 50% 区域会更适合。
网格独立性
中等网格模型获得的速度分布非常接近精细网格,粗糙网格的径向和轴向分速度分布趋势虽然一致,但还是存在一些偏差。在径向速度分布图中,距离反应器壁 0.25 mm(约为颗粒半径)处粗糙网格模型具有较大差异。且在轴向速度分布图中,粗糙网格也不总能准确预测尖锐的峰值。

静态压力分布与速度类似,中等网格和精度网格结果几乎完全一致,证明已达到网格独立性(网格收敛)。

结果表明,选择合适的床层区域和网格密度是获得精准 CFD 模拟结果的关键。50% 的代表性区域与中等网格粗糙度相结合可使三种床层均获得最准确的结果,但计算资源是一个应当考虑在内的较大限制。对 300-500 μm 床层的 50% 区域进行网格划分,假设计算资源线性增加,网格单元和文件大小将分别增加至 55 M/5.2 GB(粗糙网格)和 94 M/8.9 GB(中等网格)。对于集群级机器来说,计算求解和结果处理也将是一项具有挑战性的任务。实际上,网格随床层区域线性增加只是一种保守方案。由于其拓扑结构的复杂性,预期指数增长会更加现实。且当前结构仅考虑孔隙空间,如果加入催化颗粒,需要计算的网格将加倍。计算工程师应平衡所需的精细程度、可用计算资源和最大可接受误差,从而决定最合适的 CFD 设置。
速度和压力的流动曲线都显示出其幅度的显著局部变化,可能会导致某些床层区域的传热不良和催化剂利用率低,从而抑制反应器的性能。因此,了解高度多分散床层内的流场将为反应器工程提供有价值的观察结果,旨在有效利用催化剂并最大限度地提高产品产量。
结论
结合 CT 扫描和 CFD 可以实现实验室装置与模拟模型之间的独特耦合,将真实反应器直接转换为 3D 几何体,用于分析内部结构、网格划分和模拟。本研究基于扫描图像数据创建由 100-300 μm、300-500 μm 和 500-700 μm SAPO-34 颗粒组成的固定床反应器,考虑到大量的计算需求,必须选择较小的试样区域作为代表进行研究。由于床层结构的高度不规则性,合适的试样区域取决于具体情况。颗粒尺寸越大,需要的试样区域就越长。对 300-500 μm 床层的 10% 区域进行网格划分,通过求解质量和动量守恒方程研究网格独立性,确定平衡计算需求和模拟结果准确性的必要。
参考
- Kyrimis S, Raja R, Armstrong L M. Impact of particle size on the selection of a representative bed section for poly-dispersed fixed bed reactors[J]. Journal of Fluid Flow, Heat and Mass Transfer, 2023, 10: 24-35